隨著人工智能開始走向應用，在手機終端、智能家居、工業機器人以及未來無人駕駛等領域的逐步普及，未來智能終端對真實環境的準確感知變得尤為重要。作為機器三維視覺的重要傳感器，基于激光脈沖飛行時間（Time-of-Flight）的三維圖像傳感器(ToF Image Sensor)相比較傳統的二維圖像傳感器（CMOS Image Sensor）提供額外維度的感知，賦予智能終端更加精確高效的環境場景捕捉能力。

然而，目前基于脈沖飛行時間的ToF測距三維成像成本居高不下，成為了制約人工智能發展的一個障礙。典型的案例就是目前用于無人駕駛的激光雷達。同樣是基于ToF激光測距原理，但是由于分離芯片和器件的設計方式，64線的測距激光雷達將大量的分離器件和芯片擁擠在一個狹小的腔體空間，難以解決成本、功耗、散熱和穩定可靠性的諸多量產難題。

針對當前的行業痛點，芯視界發布了基于單光子檢測的激光測距ToF芯片。該芯片在低成本CMOS工藝上實現了超高靈敏度、高分辨率單光子檢測陣列，集成了自主研發的超高精度測距電路和抗干擾數字算法。相比較于目前修改CMOS像素圖像傳感器而實現的間接ToF三維測距，基于單光子像素（SPAD）陣列的直接ToF擁有超高的光電探測靈敏度，實現低激光功率下的遠距離探測，降低整體系統的功耗和成本。

南京芯視界在單光子測距技術和實用性上處于遙遙領先地位。公司成立于2018年5月，公司擁有先進的光電轉換器件設計和單光子檢測成像技術，主營基于單光子探測的一系列一維和三維ToF傳感芯片。芯片產品廣泛應用于掃地機、無人機和手機等諸多消費類電子領域，以及虛擬現實及增強、智能家居和自動駕駛激光雷達等應用。

芯視界在激光雷達芯片領域的主要競爭優勢有：

1）基于低成本CMOS工藝的SPAD單光子探測陣列芯片，性價比高。芯片采用直接TOF的探測方式，相對于間接TOF或相干光方式，具有功耗低、系統簡單、探測距離遠、精度高等優勢。

2）單光子檢測新技術大幅提升了接收器的靈敏度，發送端的激光器數量和功率大幅降低。

3）接收端自主設計全集成接收芯片，集成了單光子檢測陣列、單光子像素數模混合控制電路、抗陽光背景光算法及內存和高速接口，整體成本大幅降低。

4）公司核心團隊在光電集成電路和硅光領域具有超過十年的行業經驗，保證了產品的設計和生產效率。

激光測距三維成像技術是當前機器視覺領域的研究熱點，通過發射激光束探測目標,利用反射光獲取點云數據，經成像處理后就可得到精確的三維立體圖像，測距精度可達厘米級，具有精準度高、作業速度快和效率高等優勢，在汽車輔助/自動駕駛、AR/VR、機器人三維視覺定位導航、空間環境測繪、安保安防等領域有重要應用前景。

激光測距的工作原理類似于傳統的雷達波裝置。激光器發送激光信號照射到目標物體后，反射光信號被接收器收集。通過測量光信號在空中的往返飛行時間（Time-of-Flight），從而測量出精確的物理距離。目前基本有兩種測量方式。

第一種，發送端使用激光窄脈沖照射目標物體，接收端用時間到數字轉換器（Time-to-digital converter），即TDC，直接測量激光脈沖在空中的飛行時間，即直接TOF測距（Direct-ToF）。

第二種，發送端采用連續光正弦或者方波調制，接收端根據調制光在往返過程中產生的相位偏移對調制信號周期的比例間接計算出光信號的飛行時間,即間接ToF測距（Indirect-ToF）。

根據光速恒定原理，兩種方式都可以計算出目標物體的精確距離。其中第一種方式由于其高信噪比、高精度、大動態范圍、抗多路徑干擾等優勢，配合單光子探測器件的超高靈敏度探測，非常適合微弱光條件下的遠距離探測，為激光測距和三維探測成像提供超高靈敏度，低功耗解決方案。

圖1直接ToF與間接ToF測量原理圖

當前的激光測距及成像系統由于成本高、體積大、集成度低等因素，限制了其在消費級市場的應用，業界期待硅光技術的發展能夠帶來激光測距技術的革命性變革。基于大規模單光子檢測陣列的集成一直是個難題。目前，業界主流的方案還是采用分立元器件來搭建激光雷達系統，這類系統結構復雜，所采用的APD傳感器光電轉換電流較低，會導致在多線數的時候有串擾問題，不容易做大線數，同時多級放大元器件增多，成本居高不下，較難實現大規模量產商用（圖2）。分離器件方案的另外一個問題是由于目標物體不同反射率導致的測量誤差較大，甚至可以到達幾十厘米，需要耗費資源的算法矯正。芯視界基于單光子探測的單芯片解決方案（如圖3），可以做到不同反射率目標物體的極限測量誤差小于1cm，處于激光測距的先進水平。

圖2 傳統激光脈沖直接測距（D-ToF）分離器件芯片組方案

圖3 芯視界單光子直接測距單芯片解決方案

本次發布的單光子檢測激光測距及三維成像系列芯片（單點、面陣32x32單光子像素、面陣256x64單光子像素等規格）基于直接飛行時間的激光測距方法，為市場上的微型ToF傳感提供了一站式的解決方案，憑借自主研發的SPAD（單光子雪崩二極管）和獨特的ToF采集和處理技術，芯視界首發的激光測距及三維成像芯片的具有性能方面的巨大優勢。

其中，單點測距芯片VI4300系列實現了從0.1米到200米的全量程高精度測試，將此前的同類型測距芯片測距范圍提升了100倍。并且可以抵抗100 KLux的環境光干擾，從而適用于室外陽光環境中的測量。VI4300系列芯片在測距領域有著廣泛的應用：例如近距離的掃地機LDS模組，攝像頭激光對焦模組；中距離的手持測距儀模組，AGV防碰撞模組，車道檢測模組；遠距離的自動駕駛車輛激光雷達等。

以業內關注的自動駕駛激光雷達為例，較于攝像頭等傳感器，基于VI4300單點測距芯片的激光雷達系統除了能夠生成三維位置模型之外，還具有更遠的的探測距離、更高的測量精度、更快的響應速度，同時還不受環境光的影響。可以說，VI4300單點測距芯片給激光雷達提供了極佳的芯片解決方案。

另外，此次芯視界還獨家發布了兩款全集成的面陣單光子的TOF芯片（型號：VI3810和VI4320），在芯片的性能、易用性、量產性均做到了遙遙領先。面陣TOF芯片在空間感知和三維建模等方向也有著廣泛的應用。基于VI3810芯片，芯視界與中電27所合作開發的32*32像素面陣模組已經通過驗收。同時芯視界的面陣芯片在人臉識別、活體檢測、手機AR、安防、生物檢測等方向都有著廣泛的應用前景。

表 1 芯視界TOF芯片參數